飛往比鄰星：準(zhǔn)備加速到近光速

林之森

藝術(shù)家想象中的“突破攝星”計(jì)劃。

如果你這一刻離開地球，以光速飛行，你會在讀到這句話結(jié)尾之前到達(dá)月球;到太陽，則需要8分鐘。

要抵達(dá)離我們最近的恒星系——比鄰星（或叫半人馬座），以光速飛行，需要4年3個(gè)月左右時(shí)間;乘最快的火箭，也至少需要8萬年。

但是，一項(xiàng)雄心勃勃的計(jì)劃打算在未來10年到20年內(nèi)，把人類的宇宙飛船發(fā)射到比鄰星;它們將以接近光速飛行，20年內(nèi)抵達(dá)目的地。該計(jì)劃由美國硅谷億萬富翁尤里·米爾納資助，是在2016年4月的一次有已故物理學(xué)家霍金出席的新聞發(fā)布會上宣布的。

這個(gè)“突破攝星”計(jì)劃曾引起國際上廣泛的關(guān)注。如果成功了，可能是人類有史以來最雄心勃勃的計(jì)劃。不過很多人打賭，這只是一些人心血來潮罷了，很快就會偃旗息鼓的。現(xiàn)在3年過去了，該計(jì)劃到底怎么樣了呢？

“突破攝星”計(jì)劃的設(shè)想

在宇宙中，恒星之間的距離動輒是以光年計(jì)的，要想在人類的有生之年到達(dá)另一個(gè)恒星系，需要以接近光速飛行才成。但能把航天器推進(jìn)到接近光速，現(xiàn)有的技術(shù)非常有限。

雖然技術(shù)有限，但科學(xué)家并沒有放棄。事實(shí)上，幾十年來對航天器的動力只有一個(gè)選擇——光帆。正如迎面吹來的風(fēng)可以對帆施加壓力，從而推動船只，光束也可以驅(qū)動物體運(yùn)動。把航天器制造得足夠輕，上面綁一塊帆，用強(qiáng)大的光源對著它照射，在幾乎沒有任何阻力的太空，就能將它加速到相當(dāng)大的速度。

太陽帆就是為了利用太陽光而設(shè)計(jì)的，17世紀(jì)德國天文學(xué)家開普勒在給伽利略的信中最先提到過這一想法。但是，要想將物體加速到接近光速，太陽光還是太弱了，我們需要用能量比它強(qiáng)數(shù)百萬倍的激光。

“突破攝星”計(jì)劃的設(shè)想是：在圍繞地球的軌道上部署數(shù)百艘小型宇宙飛船，每艘都配備有一個(gè)光帆以及記錄、傳輸信息所需的最少硬件。在地面則布置一個(gè)巨大的激光陣列。激光束將聚焦于航天器的光帆上，將它們加速到光速的五分之一（大約每秒6萬千米）——這個(gè)速度是傳統(tǒng)航天器的數(shù)千倍。20年后，這些飛船將到達(dá)比鄰星，屆時(shí)向我們發(fā)回有關(guān)該恒星系統(tǒng)中可能適宜居住的行星的圖像。

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)計(jì)劃，在技術(shù)上面臨許多挑戰(zhàn)：必須發(fā)明一種能接收千兆瓦激光而不自燃的材料;必須制造出足夠輕但又足夠精密的電子設(shè)備，能將圖像發(fā)射回4光年外的地球;還要確保地球上的激光精確擊中小光帆，讓它們以極快的速度從地球加速離開，飛往目的地;最后，還必須建造一個(gè)巨大的電源，為激光發(fā)射器提供電力。

下面來看看參加該計(jì)劃的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)將如何克服這些技術(shù)障礙。

技術(shù)上巨大的挑戰(zhàn)

團(tuán)隊(duì)面臨的首要任務(wù)是制造一種輕質(zhì)的光帆。“突破攝星”計(jì)劃要求光帆的覆蓋面積大約10平方米，但重量不超過1克。這意味著它的厚度小于100納米，只及蜘蛛絲直徑的幾十分之一。生產(chǎn)這種薄紗狀的膜在技術(shù)上是完全可行的，但要確保它在強(qiáng)激光的照射下不被燒掉，卻是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵是，材料幾乎不能吸收任何入射光，而是像鏡子一樣把光反射掉。目前最亮的金屬能將9 9%的入射光反射掉，而“突破攝星”計(jì)劃中使用的光帆需要反射超過99.999%的入射光。制造光帆的材料要同時(shí)滿足低密度、高反射率和低吸收率。目前滿足這些條件的有三個(gè)候選者：一個(gè)是二氧化硅（也就是石英）;第二個(gè)是二硫化鉬;第三個(gè)是金剛石。當(dāng)然，這些材料都要切割成薄膜狀。假如選用金剛石材料做光帆，想象一下，天空中飄著一顆顆大“鉆石”，那將是非常壯觀的。

科學(xué)家們正在緊鑼密鼓地對這些材料進(jìn)行研究，估計(jì)明年左右會有結(jié)果。

與此同時(shí)，激光陣列的建造也取得了進(jìn)展。“突破攝星”計(jì)劃需要一個(gè)功率約6 0千兆瓦的電力系統(tǒng)，相當(dāng)于20個(gè)核電站，相比之下，一支普通激光筆功率大約是5毫瓦，而一束足以讓飛行員晃眼的激光只需要幾瓦的功率。

激光照射部署在地球軌道上的小型宇宙飛船，將其推離軌道，在10分鐘內(nèi)使其加速到光速的五分之一，之后就不需要激光推動了。以這個(gè)速度，飛船將在20分鐘后飛越火星，7小時(shí)內(nèi)通過冥王星，20年后到達(dá)比鄰星。

科學(xué)家最初的設(shè)想是制造一臺巨大的激光器，但后來發(fā)現(xiàn)制造一組較小的激光器陣列似乎更可行。其原理是，將每個(gè)激光器制造的“小”激光經(jīng)過多次反射、折射后，合并成一束“大”的激光束，再發(fā)射出去。制造激光器的技術(shù)是成熟的，現(xiàn)在需要解決的是如何將一束束激光精確合并的問題。

接下去就將建造宇宙飛船。這些微型飛行器上要求裝一個(gè)電源、一個(gè)用于航向修正的微型推進(jìn)器、一架相機(jī)以及一個(gè)將這些圖像傳回地球的強(qiáng)大發(fā)射器，但每個(gè)飛行器的總質(zhì)量不能超過1克。

要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)絕非易事。不過，好在我們已經(jīng)有能力制造質(zhì)量為克量級的微型人造衛(wèi)星。目前的主要障礙是如何讓信號發(fā)射回地球，這可能需要在地球上建立一個(gè)巨大的信號接收站，另外還要在微型宇宙飛船上安裝一個(gè)高功率的信號發(fā)射器。

克服這些困難可能需要10到20年左右的時(shí)間。

比鄰星b，離我們最近的系外行星。

打響星際戰(zhàn)爭的第一槍？

這些小飛船在太空中要漫游20多年，途中要經(jīng)過許多小星系，可能會遇到許多未知的危險(xiǎn)，加上小飛船速度又快，很難避免一些想不到的險(xiǎn)情，其最大的危險(xiǎn)是撞上小行星。在太陽系內(nèi)，這還好辦，一方面這些小飛船自身攜帶有微型推進(jìn)器，可以及時(shí)改變航向;另一方面還可以用地面的強(qiáng)激光轟擊小行星，將其推開。但要是太遠(yuǎn)了，就沒轍了。地球上的激光夠不著，飛船又不能跟地面進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊（因?yàn)樾盘杹砘卣f不定就要好幾個(gè)月），所以航向也不能及時(shí)糾正。在這種情況下，它們就只能聽天由命了。好在小飛船一次發(fā)射數(shù)百艘，只要最后有一艘順利到達(dá)即可，所以即便中途大多數(shù)“遇難”，也沒關(guān)系。

“突破攝星”計(jì)劃的一項(xiàng)重要使命是實(shí)地考察另一個(gè)恒星系統(tǒng)以及那里適宜居住的行星世界。2016年，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了環(huán)繞恒星半人馬座運(yùn)行的一顆系外行星——比鄰星b，它是離地球最近的系外行星。這一發(fā)現(xiàn)一度讓參與該計(jì)劃的科學(xué)家大為振奮，但后來的研究表明，恒星半人馬座很容易發(fā)生強(qiáng)烈的X射線爆和紫外線爆，所以其行星比鄰星b不太可能適宜居住。

盡管如此，一些人認(rèn)為，人類的飛行器一旦進(jìn)入星際空間，將更容易發(fā)現(xiàn)和接收外星人的信號，所以將大大增加與外星生命接觸的機(jī)會。

但要不要跟外星人接觸，這本身又是有爭議的問題。包括霍金、馬斯克（美國私人太空探索公司SpaceX的CEO）和科幻作家劉欣慈在內(nèi)的許多名人都警告說，跟外星人接觸有很大的危險(xiǎn)性。因?yàn)閺挠钪娣秶鷣砜?，人類文明不一定是最高級?萬一外星文明比我們更強(qiáng)大，外星人發(fā)現(xiàn)我們之后，把我們當(dāng)作低等物種來看待（就像歐洲殖民者當(dāng)年把美洲印第安人當(dāng)作野蠻人），地球上的人類也許面臨著被奴役甚至種族滅絕的危險(xiǎn)。

而人類在星際空間的活動恰恰可能會提醒不友好的外星人注意到我們的存在，并泄露了我們的藏身之處——地球——的位置?！巴黄茢z星”計(jì)劃的反對者甚至認(rèn)為，該計(jì)劃本身即可被視為一種戰(zhàn)爭行為：一個(gè)微型艦隊(duì)穿越星際空間，試圖尋找未來的殖民地。

但支持者卻認(rèn)為這種想法是荒謬的。他們說，任何先進(jìn)的外星人可能早就從我們數(shù)十年來散播到太空的廣播、電視等無線電波中了解到我們的存在，我們的藏身之地早已泄露出去。再說，我們的宇航飛船做得那么小，飛得又那么快，即使存在技術(shù)先進(jìn)的外星人，也很難被他們發(fā)現(xiàn)。

撇開跟外星人接觸是禍?zhǔn)歉５臓幷?，“突破攝星”計(jì)劃的意義在于，它是繼阿波羅探月計(jì)劃以來人類最雄心勃勃的太空探險(xiǎn)計(jì)劃，如果獲得成功，那將是一個(gè)了不起的成就。